氧化铝制取全套教学教程整套课件全书电子教案

1.1氧化铝及其化合物的性质与用途1.2氧化铝生产方法概述1.3铝酸钠溶液的性质1.4拜耳法原理及工艺流程1.5烧结法原理及工艺流程1.6联合法原理及工艺流程2024/9/141.氧化铝制取基础和基本流程1.1.1氧化铝化合物的分类氧化铝化合物(Al2O3·nH2O)根据所含结晶水数目(n)的分为三水型、一水型和铝胶三大类(见表l)，三水型为n=3的氧化铝化合物，包括三水铝石、拜耳石、诺耳石；一水型为n=1的氧化铝化合物，包括一水硬铝石、一水软铝石；铝胶为含结晶水不完善的氧化铝化合物。2024/9/141.1氧化铝及其化合物的性质与用途表1氧化铝化合物的分类及其表示符号类别组成名称常用符号三水型氧化铝Al203·3H20三水铝石Al(OH)3或Al2O3·3H20拜耳石β-Al(OH)3或β-Al203·3H20诺耳石β-Al(OH)3或β-Al203·3H20一水型氧化铝Al203·H20一水硬铝石γ-AlOOH或γ-Al203·H20一水软铝石α-AlOOH或α-Al2O3·H20铝胶Al203·nH20拟薄水铝石α-Al203·nH20(n=1.4～2.0)无定形铝胶Al2O3·nH20(n=3～5)2024/9/14目前作为生产氧化铝的主要原料是铝元素以三水铝石、一水硬铝石及一水软铝石等形态存在的各类铝土矿。不同类型的铝土矿与氧化铝生产工艺流程的选择和技术条件的控制有着紧密关系，所以对不同形态氧化铝化合物的性质应该有充分的了解。2024/9/141.1氧化铝及其化合物的性质与用途1.1氧化铝及其化合物的性质与用途1.1.2氧化铝化合物的性质1.1.2.1物理性质。各种氧化铝及其化合物的物理性质各不相同，其密度和硬度是按下列次序增加的：三水铝石

一水软铝石

一水硬铝石。见表2。1.1.2.2化学性质。氧化铝及其化合物是两性化合物，均不溶于水，而溶解于酸和碱液中。溶解于弱酸和弱碱时所生成的铝盐很不稳定，会立即发生水解生成氢氧化铝，弱酸和弱碱不能用于工业生产。溶解于强酸和强碱时所生成的铝盐则较为稳定，在工业控制条件下能够满足生产要求，所以工业上的酸法和碱法生产氧化铝就是利用了这种性质。不同形态的氧化铝及其化合物溶解于酸和碱液中的速度和溶解度是不相同的。三水铝石最易溶解，一水软铝石次之，一水硬铝石则很难溶解，因此在碱法生产氧化铝时，铝土矿中铝的存在形态就决定了溶解条件，进而决定了能耗、生产成本等指标。另外，由于电解铝生产对作为原料的氧化铝有化学活性方面的要求，氢氧化铝的焙烧条件同样也很重要，在低温焙烧的条件下会得到化学活性好的γ-Al2O3，在高温焙烧的条件下会得到化学活性差的α-Al2O3。因此，在氧化铝生产中要充分注意到不同形态氧化铝及其化合物的物理化学性质的不同，根据铝土矿资源条件和下游产业的要求来控制氧化铝生产工艺技术条件。2024/9/142024/9/141.1氧化铝及其化合物的性质与用途铝是地壳中分布最广的元素之一，在地壳中的含量为8.8％，仅次于氧。但在金属元素中，铝元素在地壳中的含量为第一。铝是化学性很活泼的元素，在自然界中只以化合物状态存在。自然界中含铝矿物达250种，其中主要矿物有铝土矿、霞石、明矾石、高岭土和黏土等。目前，铝土矿是当今氧化铝生产工业最主要的矿物资源，世界上95％以上的氧化铝出自铝土矿。2024/9/141.1.3铝矿石1.1.3.4铝土矿的类型铝土矿中的铝元素是以氧化铝化合物状态存在的。根据其氧化铝化合物所含结晶水数目的不同，以及晶型结构的不同，把铝土矿分成三水铝石型、一水软铝石型、一水硬铝石型和混合型等四类矿种。采用不同类型的铝土矿作原料，则氧化铝生产工艺的选择和技术条件的控制是不同的，所以对铝土矿类型的鉴定有着重大意义。2024/9/141.1.3铝矿石1.1.3.5铝土矿的质量标准铝土矿的质量会影响生产技术条件的控制、设备的产能、能耗及产品质量等各个方面。判断铝土矿质量的指标主要有氧化铝含量、氧化硅含量和铝土矿的类型等三项。(1)氧化铝含量。氧化铝在铝土矿中的含量越高，铝土矿中的杂质就会越少，设备产能、能耗、产品质量等指标就会越好。(2)氧化硅含量。铝土矿中最主要的杂质是氧化铁和氧化硅。在碱法生产氧化铝工艺中，氧化铁不溶于碱性溶液，会直接进入渣中排掉。二氧化硅为酸性氧化物，会溶解进入碱液中，但随后会以不溶性物质含水铝硅酸钠形式析出，造成氧化钠和氧化铝的损失。因此，氧化硅是碱法生产氧化铝的最有害的杂质。铝土矿表示氧化硅含量的指标是铝硅比——矿中所含的氧化铝与氧化硅的质量之比，通常以A/S表示。A/S越高，铝土矿质量越好。(3)铝土矿的类型。不同类型的铝土矿因为在拜耳法生产氧化铝时氧化铝溶出的难易程度不同，则所采取的工艺技术条件也不相同。三水铝石型矿最易溶出，一水软铝石型矿次之，一水硬铝石型矿最难溶出。所以，铝土矿的类型对采用拜耳法工艺生产氧化铝意义重大。而铝土矿的类型对采用烧结法工艺生产氧化铝来说则意义不大。2024/9/141.1.3铝矿石1.1.3.5铝土矿资源中国是铝土矿的资源大国。铝土矿主要分布于山西、河南、贵州、广西及山东等省。中国铝土矿资源的特点是高硅低铁的一水硬铝石型矿，品位呈不均一性，铝硅比低(4～7)。针对这种矿石特点，中国自主开发了混联法生产氧化铝的工艺流程。2024/9/141.1.3铝矿石普通氢氧化铝及其用途通过种分或碳分分解出的Al(OH)3，再经干燥、粉碎、分级而得到不同粒径的白色粉末。Al(OH)3加热至130℃以上时开始失去结晶水，加热至260℃以上附脱水吸热，具有良好的消烟阻燃性能。Al(OH)3可用作塑料和聚合物的无烟阻燃填料或橡胶制品的催化剂和防燃填料、人造地毯的填料、造纸的增白剂和增光剂;还可生产硫酸铝、明矾、氟化铝、水合氯化铝、铝酸钠等化工产品，并可合成分子筛，作生产牙膏的填料和玻璃配料以及制作胃酸药片、合成莫来石的原料等。2024/9/141.1.4氧化铝用途低钠氧化铝用途Na2O含量低于0·2%的α—Al2O3，其机械强度和抗热震性好;绝缘强度高，在高频下能承受高电压;烧成收缩率小，可用于高级电绝缘体、汽车和飞机上内燃机用火花塞，制造耐热或耐磨性陶瓷器件。2024/9/141.1.4氧化铝用途β—Al2O3用途β—Al2O3具有密度大、气孔率低、机械强度高、耐热冲击性能好、离子导电率高等特性。主要用作钠硫蓄电池中的固体电解质薄膜陶瓷隔板。此外，β—Al2O3还用于室温电池、热敏元件及制作玻璃、耐火材料和陶瓷。2024/9/141.1.4氧化铝用途片状氧化铝用途片状氧化铝的热容量大，热导率高，密度大，抗热震性、抗腐蚀性、化学热稳定性好，纯度高，可用于制作催化剂、环氧树脂和聚醋树脂填料、耐火涂料、燃烧器嘴、密封炉内衬、电绝缘体和陶瓷制品等。2024/9/141.1.4氧化铝用途熔盐电解法生产金属铝的原料——氧化铝是一种两性化合物，可以用碱或酸从铝土矿中把氧化铝与其他杂质分离出来而得到纯净的氧化铝。另外还可以用电炉熔炼的方法得到高品位的氧化铝渣，再进行碱法或酸法处理生产氧化铝。目前，除碱法外，酸法、电炉熔炼法都没有在氧化铝工业上使用。本书仅介绍碱法生产氧化铝工艺。碱法生产氧化铝的一般工艺原理为通过加入氢氧化钠或碳酸钠来处理采选后的铝矿，得到铝酸钠溶液，这种溶液经过净化处理后，用降温或碳酸化方法进行强制分解得到氢氧化铝，然后经过焙烧脱水得到产品氧化铝。碱法生产氧化铝工艺又分为拜耳法、烧结法及联合法三种工艺流程。分别简述如下。2024/9/141.2氧化铝生产方法概述1.2.1拜耳法生产氧化铝工艺采用拜耳法工艺流程生产的氧化铝量占到总产量的90％以上，是采用高铝硅比铝土矿作原料的新建铝厂首选的工艺流程。拜耳法生产氧化铝的工艺过程是用含有氢氧化钠的溶液在高温高压下溶出铝土矿中的氧化铝得到铝酸钠溶液，而矿中的杂质则生成不溶性化合物入渣，铝酸钠溶液在净化后，加入氢氧化铝晶种进行分解得到氢氧化铝晶体，然后经焙烧脱水得到氧化铝产品。2024/9/141.2氧化铝生产方法概述拜耳法生产氧化铝工艺的优点如下：(1)生产流程简单；(2)由于流程中没有烧结工序，单位能耗比其他工艺流程低，仅为41.49GJ/t；(3)在生产过程中外加物少，晶种分解为自发分解，杂质析出的数量少，产品氧化铝质量好。拜耳法生产氧化铝工艺的缺点如下：不能处理A/S低的铝土矿，仅适合处理铝硅比大于7的铝土矿，尤其是铝硅比大于10的铝土矿。2024/9/141.2氧化铝生产方法概述1.2.2烧结法生产氧化铝工艺烧结法生产氧化铝的工艺过程是将铝土矿、碳酸钠和石灰制成料浆进行烧结得到铝酸钠熟料，然后用水或稀碱溶液对铝酸钠熟料进行溶出，得到铝酸钠溶液，将此溶液进行脱硅净化处理后，往溶液中通入二氧化碳气体进行碳酸化分解得到氢氧化铝晶体，再经焙烧脱水得到氧化铝产品。虽然烧结法生产氧化铝工艺能够处理铝硅比低的铝土矿，但铝硅比越低，生产流程中的物料流量就越大，就会造成设备产能越低。因此，从经济角度分析，烧结法生产氧化铝工艺并不适宜处理铝硅比低于3～3.5的铝土矿。2024/9/141.2氧化铝生产方法概述烧结法生产氧化铝工艺的优点如下：(1)可以处理铝硅比低的高硅铝土矿；(2)生产消耗的是价格低廉的碳酸钠。烧结法生产氧化铝工艺的缺点如下：(1)由于有烧结工序，单位能耗高，达48.31GJ/t；(2)生产流程复杂；(3)碳酸化分解的方法造成氧化铝产品质量差。2024/9/141.2氧化铝生产方法概述1.2.3联合法联合法就是将拜耳法工艺流程和烧结法工艺流程联结起来形成的工艺流程。根据联结方式的不同分为串联法、并联法和混联法三种。中国的铝土矿特点是高硅低铁，矿石难以溶解，并且成分不均一。针对这个特点，中国首创出混联法工艺流程。目前，中国的氧化铝厂采用的联合法工艺流程都是混联法。下面简单介绍混联法的工艺特点。混联法工艺流程的生产过程是使用拜耳法处理低硅铝土矿得到赤泥和铝酸钠溶液，溶液送去净化分解，赤泥则与一部分高硅铝土矿混合烧结成熟料进入烧结法生产流程。2024/9/141.2氧化铝生产方法概述混联法生产氧化铝工艺流程的优点如下：(1)拜耳法产出的赤泥通过烧结充分回收了其中的氧化铝和氧化钠；(2)适应了铝土矿成分的不均一性，最大限度的利用了资源；(3)氧化铝生产过程的补碱由价格低廉的碳酸钠供应。混联法生产氧化铝工艺流程的缺点如下：(1)同时具有拜耳法和烧结法两种工艺流程，生产流程复杂，设备繁多；(2)两套工艺相互交叉，生产协调非常复杂。2024/9/141.2氧化铝生产方法概述1、结晶型氧化铝化合物按所含结晶水数目分类可分为哪几种类型，它们分别具有哪几种同类异晶体?2、铝土矿中主要含铝矿物有哪三种?分别写出它们的化学式。根据铝土矿中含铝矿物的形态不同，可将铝土矿分为哪几种类型?3、铝土矿中含有哪些主要化学成分，铝土矿的铝硅比是什么?4、如何评价铝土矿的质量?5、中国铝土矿多数属于哪种类型，其质量方面有何特点?6、以铝土矿为原料的碱法生产氧化铝包括哪几种生产方法，根据中国铝土矿石的特点宜采用什么方法?7、拜耳法生产氧化铝有哪些优缺点?8、试分析拜耳法生产氧化铝和烧结法生产氧化铝有哪些不同点?9、按照氧化铝物理性质来分类，可将氧化铝分为哪三种类型?2024/9/14复习思考题1.3.1铝酸钠溶液的特性参数1.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系1.3.3铝酸钠溶液的稳定性及其影响因素2024/9/141.3铝酸钠溶液的性质1.3.1.1铝酸钠溶液浓度的表示法1.3.1.1.1碱的类型及符号工业铝酸钠溶液中有以NaAl(OH)4分子形式存在的Na2O，也有以NaOH分子形式存在的游离Na2O，另外还有以Na2CO3分子形式存在的Na2O及以Na2SO4分子形式存在的Na2O，以这些分子形式存在的Na2O在工业上都有各自的名称。2024/9/141.3.1铝酸钠溶液的特性参数苛性碱：指以NaAl(OH)4分子和NaOH分子等形式存在的Na2O，符号表示为Na2O苛或Na2Ok。碳酸碱：指以Na2CO3分子形式存在的Na2O，符号表示为Na2O碳或Na2Oc。硫酸碱：指以Na2SO4分子形式存在的Na2O，符号表示为Na2O硫或Na2Os。全碱：指以苛性碱和碳酸碱状态存在的Na2O的总和，符号表示为Na2O全或Na2OT。2024/9/141.3.1铝酸钠溶液的特性参数1.3.1.1.2铝酸钠溶液浓度的表示法工业铝酸钠溶液浓度的表示一般以氧化铝和氧化钠的质量浓度表示，例如ρ(Al2O3)=50g/L，或ρ(Na2Ok)=150g/L。2024/9/141.3.1铝酸钠溶液的特性参数1.3.1铝酸钠溶液的特性参数1.3.1.2.1铝酸钠溶液的特性参数——苛性比值苛性比值是碱法生产氧化铝的重要概念和指标，它表示铝酸钠溶液溶解氧化铝的饱和程度及溶液的稳定性。铝酸钠溶液的苛性比值是指铝酸钠溶液中所含苛性碱与氧化铝的物质的量的比值，符号表示为αK。计算公式：2024/9/141.3.1铝酸钠溶液的特性参数换算成质量浓度表示：式中n(Na2OK)、n(Al2O3)——铝酸钠溶液中苛性碱和氧化铝的物质的量，mol；c(Na2OK)、c(Al2O3)——铝酸钠溶液中苛性碱和氧化铝的物质的量浓度，mol/L；ρ(Na2OK)、ρ(Al2O3)——铝酸钠溶液中苛性碱和氧化铝的质量浓度，g/L；62和102——铝酸钠溶液中Na2O和Al2O3的摩尔质量，g/mol。2024/9/141.3.1铝酸钠溶液的特性参数1.3.1.2.2铝酸钠溶液的硅量指数铝酸钠溶液的硅量指数是指溶液中所含氧化铝与二氧化硅的质量的比值。通常以两者质量浓度的比值计算得出：2024/9/14式中—ρ(Al2O3)、ρ(SiO2)分别为铝酸钠溶液中氧化铝和氧化硅的质量浓度，g/L。铝酸钠溶液的硅量指数的意义是表示铝酸钠溶液的纯度。硅量指数越高，则铝酸钠溶液中二氧化硅含量越低，纯度越高，析出的氢氧化铝杂质含量就会越少。反之，则相反。2024/9/141.3.1铝酸钠溶液的特性参数1.3.2.1Na2O-Al2O3-H2O三元系平衡状态图纯的铝酸钠溶液可看作是Na2O-Al2O3-H2O三元系。通过对Na2O-Al2O3-H2O三元系平衡状态图的了解，就可以知道氧化铝在氢氧化钠溶液中的溶解度与溶液浓度和温度的关系，以及在不同条件下的平衡固相，从而得到生产技术参数。Na2O-Al2O3-H2O三元系平衡状态图是碱法生产氧化铝理论基础的重要部分。为了应用方便，把在一定温度下的氧化铝溶解度与苛性碱浓度的关系用直角坐标图来表示。纵坐标轴表示氧化铝浓度，横坐标轴表示氧化钠浓度。过O点的任一直线都为等αK线(即在此线上的任一点溶液的αK值都相等)。2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系2024/9/1430℃下的Na2O-Al2O3-H2O三元系平衡状态图B点：溶液在此点会同时与三水铝石固相和含水铝酸钠固相保持平衡共存，是溶液对三水铝石和含水铝酸钠的饱和点。C点：含水铝酸钠(Na2O·Al2O3·2.5H2O)和一水氢氧化(NaOH·H2O)同时与溶液保持平衡，是共饱点。D点：一水氢氧化钠(NaOH·H2O)的组成点，成分为53.5％NaOH和46.5％H2O。E点：含水铝酸钠(Na2O·Al2O3·2.5H2O)的组成点，成分是48.8％Al2O3、29.7％Na2O和21.5％H2O。H点：Na2O·Al2O3的组成点，成分是61.4.2％Al2O3和37.8％Na2O。T点：三水铝石的组成点，成分是65.4％Al2O3和34.6％H2O。M点：为一水铝石的组成点。2024/9/1430℃下Na2O-Al2O3-H2O三元系平衡状态图中各点线的含义OB线段：该线上溶液的平衡固相是三水铝石，是三水铝石在NaOH溶液中的等温溶解度曲线。它表明随着溶液NaOH浓度的增加，三水铝石在其中的溶解度越来越大。BC线段：该线上溶液的平衡固相是含水铝酸钠(Na2O·Al2O3·2.5H2O)，是含水铝酸钠在NaOH溶液中的等温溶解度曲线。它表明含水铝酸钠在NaOH溶液中的溶解度随溶液NaOH浓度的增加而降低。2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系CD线段：为一水氢氧化钠(NaOH·H2O)在铝酸钠溶液中的溶解度曲线。图中OBCD曲线是依次连接各个平衡溶液的组成点得出的，它也就是氧化铝在为30℃下的氢氧化钠溶液中的平衡溶解度等温线。直线OEH是αK=1的等αK线，实践证明，苛性比值等于1或小于1的铝酸钠溶液是不存在的，因此铝酸钠溶液的组成处于直线OE的下方。在30℃下E点和D点都是固相存在。因此在ED线上及其右上方是属于固体的区域，不含有液相存在。所以铝酸钠溶液只能存在于OED区域内。因此对氧化铝生产来说，对OED区域的分析才有意义。2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系1.3.2.2OED区域分析将OED区域分五个(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V)部分进行讨论。AⅠ区(OBCD区域)在OBCD饱和等温线下方的区域为I区，是氢氧化铝和含水铝酸钠的未饱和区，它有溶解这两种物质的能力。当其溶解氢氧化铝时，溶液的组成将沿着原溶液点与T点的连线变化，直到连线与OB线的交点为止，即这时溶液已达到平衡浓度。原溶液组成点离OB线越远，其未饱和程度越大，能够溶解的氢氧化铝数量越多。当其溶解固体铝酸钠时，溶液的组成则沿着原溶液组成点与E点(如果是无水铝酸钠则是H点)的连线变化，直到连线与BC线的交点为止。BⅡ区(OBTO区域)OBTO(Ⅱ区)内的溶液是氢氧化铝过饱和的铝酸钠溶液，可以分解析出三水铝石晶体。在分解过程中，溶液的组成沿原溶液组成点与T点的连线变化，直到与OB线的交点为止，这时溶液达到平衡浓度，不再析出三水铝石结晶。原溶液组成点离0B线越远，其过饱和程度越大，能够析出的三水铝石数量越多。2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系CⅢ区(BCEB区域)BCEB(IIl区)内的溶液是含水铝酸钠过饱和的铝酸钠溶液，会析出偏铝酸钠结晶。在析出过程中，溶液的组成沿原溶液组成点与E点的连线变化，直到与BC线的交点为止。DⅣ区(BETB区域)BETB区域(Ⅳ区)内的溶液是三水铝石和含水铝酸钠同时过饱和的溶液，会同时析出三水铝石和含水铝酸钠。在析出过程中，溶液的组成沿原溶液组成点与B点的连线变化，直到B点。析出这两种物质的比例可由连线与ET线的相交点按杠杆原理得出。2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系EV区(CDEC区域)CDEC区域(V区)内的溶液是同时过饱和含水铝酸钠和一水氢氧化钠的溶液，会同时析出含水铝酸钠和一水氢氧化钠。在析出过程中，溶液的组成沿原溶液组成点与C点的连线变化，直到C点平衡为止。析出这两种物质的比例也可按杠杆原理得出。从以上分析可知：氧化铝在氢氧化钠溶液中的溶解度随氢氧化钠的浓度增加而增加，但是当氢氧化钠的浓度达到某一限度(Na2O21.95％)后，氧化铝的溶解度反而随着氢氧化钠的浓度增加而下降，使氧化铝在氢氧化钠溶液中的溶解度曲线出现最高值。出现这种情况的原因是不同浓度的溶液所对应的平衡固相不同。在氧化铝生产中，铝酸钠溶液的组成总是位于状态图的Ⅰ、Ⅱ区内。2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系1.3.2.3不同温度下Na2O-Al2O3-H2O三元系平衡状态图通过上面的介绍可知30℃Na2O-Al2O3-H2O三元系平衡状态图的特征。如果这些特征仅仅存在于30℃的温度条件下，而在其他温度条件下则不存在，那么，研究Na2O-Al2O3-H2O三元系平衡状态图对生产就没有指导意义。所以，为了适应生产的需要，人们广泛研究了在30℃、60℃、95℃、150℃、200℃等温度下的Al2O3在不同Na2O浓度的铝酸钠溶液中的饱和浓度，并绘出了上述各温度下的Na2O-Al2O3-H2O三元系平衡状态图，见图2。2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系由图2可见各个温度下溶解度等温线都包括两个线段，这两个线段的交点为该温度下溶解度的最大点。它说明在所有温度下，氧化铝的溶解度都是随溶液中苛性碱浓度的增加而急剧增长，但当苛性碱浓度超过某一限度后，氧化铝的溶解度反而随溶液中苛性碱浓度的增加而急剧下降，这是由于与溶液平衡的固相成分发生改变的结果。图中溶解度等温线的左侧线段所对应的平衡固相为三水铝石(或一水铝石)，而溶解度等温线的右侧线段所对应的平衡固相为含水铝酸钠(或无水铝酸钠、氢氧化钠等不同固相)。2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系另外，从图中看到随温度的升高，氧化铝溶解度等温线的曲率逐渐减小，即越来越直，它的两个分支所构成的交角也逐渐增大，这样就使溶液的未饱和区越来越扩大，溶解度的最大点随温度升高向较高的Na2O浓度和Al2O3浓度方向推移。温度降低则相反。所以温度提高，溶液的未饱和区扩大有利于氧化铝溶解度的增加，使溶液能溶解更多的氧化铝；温度降低溶液的过饱和区扩大有利于氧化铝溶解度的降低，使溶液能分解析出更多的氧化铝。拜耳法生产氧化铝就是根据Na2O-Al2O3-H2O三元系平衡状态图中氧化铝溶解度等温线的上述特点，利用浓苛性碱溶液在高温下溶出铝土矿中的氧化铝，然后再经冷却和稀释使氢氧化铝过饱和而结晶析出。2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系在氧化铝生产中，分解析出产物为三水铝石(Al2O3·3H2O)，而从图中看到溶解度等温线的左侧线段所对应的平衡固相除三水铝石外，还有一水铝石，这是什么原因?这是因为随着温度的不同，溶液所对应的平衡固相发生了变化。溶解度等温线的左侧线段OB线所对应的平衡固相在75℃下，OB线的平衡固相为三水铝石；在75～100℃，OB线的平衡固相则变为三水铝石和一水铝石(低碱浓度为三水铝石，高碱浓度为一水铝石)；在100℃上，OB线的平衡固相为一水铝石，三水铝石消失；在330℃上，一水铝石与刚玉共为平衡固相。2024/9/141.3.2Na2O-Al2O3-H2O三元系铝酸钠溶液的稳定性是指从铝酸钠溶液制成到开始分解析出氢氧化铝所需时间的长短。作为氧化铝生产过程中的中间产物铝酸钠溶液从制成到分解析出氢氧化铝要经过赤泥沉降、脱硅、净化等多道工序，在此期间要保证铝酸钠溶液不能分解析出氢氧化铝，并且到分解工序时，要使铝酸钠溶液容易析出。因此影响铝酸钠溶液稳定性的因素决定了氧化铝生产中的主要技术参数的选择。2024/9/141.3.3铝酸钠溶液的稳定性及其影响因素1.3.3.1铝酸钠溶液苛性比值的影响根据对铝酸钠溶液的理论分析及测定分析，常温下，当铝酸钠溶液的αK值在1左右时，铝酸钠溶液极不稳定，不能存在；当铝酸钠溶液的αK值在1.4～1.8之间时，在工业生产条件下，铝酸钠溶液能稳定存在于生产过程中，不会大量分解析出氢氧化铝；当铝酸钠溶液的αK值大于3以上时，铝酸钠溶液极为稳定，不会析出氢氧化铝，并且还能继续溶解氧化铝。铝酸钠溶液在不同K值条件下的稳定状态决定了氧化铝生产中不同工序应采取的αK值，所以αK值是氧化铝生产中主要的生产技术指标。2024/9/14

1.3.3铝酸钠溶液的稳定性及其影响因素1.3.3.2温度的影响提高温度会使铝酸钠溶液过饱和状态降低，稳定性增强，不容易分解析出氢氧化铝；而降低温度会使铝酸钠溶液过饱和状态增加，稳定性降低，容易分解析出氢氧化铝。因此在拜耳法生产氧化铝时，溶出的铝酸钠溶液在沉降、净化等工序要保持较高的温度。在晶种分解工序，则要采取热交换措施来降低温度使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝。2024/9/141.3.3铝酸钠溶液的稳定性及其影响因素1.3.3.3铝酸钠溶液浓度的影响铝酸钠溶液浓度大小会对拜耳法生产氧化铝过程中的晶种分解工序产生影响。铝酸钠溶液的浓度过大，溶液的黏度增大，使晶体粒子的扩散受到阻碍，导致氢氧化铝晶体析出速度慢，溶液的稳定性增强，并且不容易长成大颗粒；而铝酸钠溶液的浓度过小，又使微小氢氧化铝晶粒之间的接触机会减少，同样使氢氧化铝晶体析出速度慢，溶液的稳定性增强，并且也不容易长大成大颗粒。为保证溶出后的铝酸钠溶液浓度适宜，工业上在溶出后设有一个稀释工序，用赤泥洗液对铝酸钠溶液的浓度进行调整，并回收低浓度的赤泥洗液。2024/9/141.3.3铝酸钠溶液的稳定性及其影响因素1.3.3.4杂质的影响1.3.3.4.1二氧化硅在拜耳法生产氧化铝工艺的溶出过程中，铝土矿中的二氧化硅会生成含水铝硅酸钠(Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O)。该化合物在铝酸钠溶液中的溶解度很低，大部分会随着赤泥一起排掉，但有小部分会溶解在铝酸钠溶液中。在铝酸钠溶液中溶解的二氧化硅是以铝硅酸根离子状态存在，这种离子体积庞大，造成铝酸钠溶液的黏度增加，溶液的稳定性增加。烧结法生产氧化铝工艺中，熟料溶出后的铝酸钠溶液含二氧化硅达到5～6g/L，即便使该溶液的αK值降到1.25，铝酸钠溶液也不会自发分解析出氢氧化铝，生产还能正常进行。2024/9/141.3.3铝酸钠溶液的稳定性及其影响因素1.3.3.4.2碳酸钠和有机物氧化铝生产过程中，铝酸钠溶液并不与空气隔绝，空气中的二氧化碳会与铝酸钠溶液中的苛性碱发生反应生成碳酸钠。随着生产的循环，碳酸钠会在铝酸钠溶液中逐渐积累，导致溶液的黏度增加，铝酸钠溶液稳定性因此得到增强。铝酸钠溶液中的有机物是由铝土矿带进的。有机物会附在晶核表面，导致其失去吸附能力，不再长大，析出氢氧化铝晶体的速度减缓，铝酸钠溶液因此表现出稳定状态。2024/9/141.3.3铝酸钠溶液的稳定性及其影响因素1.3.3.4.3添加晶种的影响铝酸钠溶液自发生成晶核的过程非常困难。在生产过程中，为提高生产效率，就必须提高晶种分解速度，而添加氢氧化铝晶种是非常有效的办法之一。添加氢氧化铝晶种后，铝酸钠溶液的分解析出直接在晶种表面进行，而不需要长时间的晶核自发生成过程，所以铝酸钠溶液的分解析出速度提高，稳定性降低。2024/9/141.3.3铝酸钠溶液的稳定性及其影响因素1.3.3.4.4搅拌的影响对铝酸钠溶液进行搅拌加强了溶液中粒子的扩散过程，并且会使溶液的浓度均匀，有利于提高分解析出速度，溶液的稳定性降低。另外，当有晶种存在时，搅拌会使晶种悬浮于铝酸钠溶液中，晶种与周围溶液接触充分，也有利于晶种吸附长大过程。所以在晶种分解工序要对铝酸钠溶液进行搅拌。2024/9/141.3.3铝酸钠溶液的稳定性及其影响因素1、结晶型氧化铝化合物按所含结晶水数目分类可分为哪几种类型，它们分别具有哪几种同类异晶体?2、铝土矿中主要含铝矿物有哪三种?分别写出它们的化学式。根据铝土矿中含铝矿物的形态不同，可将铝土矿分为哪几种类型?3、铝土矿中含有哪些主要化学成分，铝土矿的铝硅比是什么?4、如何评价铝土矿的质量?5、中国铝土矿多数属于哪种类型，其质量方面有何特点?6、以铝土矿为原料的碱法生产氧化铝包括哪几种生产方法，根据中国铝土矿石的特点宜采用什么方法?7、拜耳法生产氧化铝有哪些优缺点?8、试分析拜耳法生产氧化铝和烧结法生产氧化铝有哪些不同点?9、按照氧化铝物理性质来分类，可将氧化铝分为哪三种类型?2024/9/141.3铝酸钠溶液性质复习思考题1.4.1拜耳法原理1.4.2拜耳法循环1.4.3拜耳法循环效率和循环碱量1.4.4拜耳法工艺流程2024/9/141.4拜耳法原理及工艺流程1.4.1拜耳法原理拜耳法经过一百多年的发展，虽然在生产设备、自动化控制等方面有了巨大的进步，但是它的基本工艺原理并没有改变。拜耳法的原理就是使以下反应在不同的条件下朝不同的方向交替进行：2024/9/14Al2O3·xH2O+2NaOH+aq===2NaAl(OH)4+aq式中，当溶出一水铝石和三水铝石时，x分别等于l和3；当分解铝酸钠溶液时，x等于3。首先，在高温高压条件下以NaOH溶液溶出铝土矿，使其中的氧化铝化合物按上式反应向右进行得到铝酸钠溶液，铁、硅等杂质进入赤泥；而向经过彻底分离赤泥后的铝酸钠溶液添加晶种，在不断搅拌和逐渐降温的条件下进行分解，使上式反应向左进行析出氢氧化铝，并得到含大量氢氧化钠的母液；母液经过蒸发浓缩后再返回用于溶出新的一批铝土矿；氢氧化铝经过焙烧脱水后得到产品氧化铝。2024/9/141.4.1拜耳法原理从拜耳法生产氧化铝的原理可以知道：Na2Ok(苛性碱：指以NaAl(OH)4分子和NaOH分子等形式存在的Na2O)在整个生产过程中理论上是不消耗的，是循环使用的物质，所以生产上将Na2Ok经历一次完整的溶出、稀释、晶种分解及分解母液的蒸发过程称为一次拜耳法循环。2024/9/141.4.1拜耳法原理图3为处理一水硬铝石型铝土矿的拜耳法循环图。通过对该图分析能够更清晰的理解拜耳法的生产原理。用来溶出一水硬铝石型铝土矿的循环母液的成分相当于图中A点，位于200℃等温线的下方，表明此时循环母液是未饱和的，具有溶解氧化铝化合物的能力。在生产条件下，溶出温度是在240℃以上，所以循环母液是远未饱和的，氧化铝能够迅速溶出。随着氧化铝的不断溶出，氧化铝浓度随之升高，当不考虑苛性碱及氧化铝由于脱硅等化学反应引起损失，溶液的组成应沿着A点与Al2O3·H2O的组成点的联线变化，直到饱和为止。理论上，随着氧化铝的溶出，铝酸钠溶液的苛性比值随之下降，溶出液的最终成分可以一直达到溶解度等温线上。但在实际生产中，如果要达到240℃等温线上则需要很长的时间，这是不经济的。所以由于溶出时间的限制，溶出过程在距离等温线上平衡点很远的B点结束。连接A、B两点的线就被称为溶出线。2024/9/141.4.2拜耳法循环2024/9/141.4.2拜耳法循环从压煮器中排出的压煮矿浆(溶出液)用赤泥洗液稀释，由于苛性碱和氧化铝的浓度同时降低，故稀释过程中溶液的组成由B点沿着等苛性比值线变化到C点。稀释之后，温度下降到100℃左右，溶液中的氧化铝浓度由高温时的未饱和转为低温下的过饱和，并且温度越低，过饱和程度越大，由此可知C点溶液处于过饱和区域。连接B、C两点的线就被称为稀释线。2024/9/141.4.2拜耳法循环往分离赤泥后的溶液中加入氢氧化铝晶种时，铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝，氧化铝浓度降低，因而溶液的苛性比值上升，溶液组成沿着C点与Al2O3·3H2O的组成点的连线变化，如果溶液在分解过程中最后冷却到30℃，那么分解后的溶液组成在理论上可达到连线与30℃等温线的交点。但是由于溶液成分达到D点以后，继续分解，则分解速度会很慢，析出的氢氧化铝很细且分离过滤困难，所以工业生产上一般分解到苛性比值达到3.5～4.0为止。连接C、D两点的线就称为晶种分解线。2024/9/141.4.2拜耳法循环分离氢氧化铝后的母液，经过蒸发，苛性碱和氧化铝浓度同时提高，故在理论上，蒸发过程中溶液的组成由D点沿着等苛性比值线变化到A点。但在实际中，由于生产过程中有苛性碱的化学损失和机械损失，这部分损失的碱需要补充。补充新碱后的循环母液成分便回到A点。连接D、A两点的线就称为蒸发线。2024/9/141.4.2拜耳法循环将上述四根线连接起来，就构成了ABCD的封闭图形即拜耳法循环图。它表示着拜耳法生产中利用循环母液在高温下溶出铝土矿中的氧化铝，而后又在低温、低浓度、添加晶种的情况下析出氢氧化铝。而母液经过蒸发又浓缩到循环母液原来的成分，这样一个循环过程称之为拜耳法循环。可以看到，组成为A点的溶液经过一次这样的循环作业，便可以从矿石中提取出一批氧化铝，而其成分不发生变化。在生产实际中，由于存在氧化铝和苛性碱的损失、溶出时冷凝水的稀释、添加晶种所带入的高苛性比值的母液等原因，生产过程与理想过程有差别，拜耳法循环图中的各条线段均会偏离图中所示的位置，对此要有所认识。2024/9/141.4.2拜耳法循环1.4.3拜耳法循环效率和循环碱量循环效率是指lt苛性碱(Na2Ok)在一次拜耳法循环中所产出的Al2O3量(t)，用E表示。单位为(t·Al2O3)/(t·Na2Ok)，这个指标反应了苛性碱在循环中的利用程度，E的数值越高，说明苛性碱的利用率越好。假定在生产过程中不发生Al2O3和Na2Ok的损失，lm3循环母液中含苛性碱(Na2Ok)的质量为n(t)，含Al2O3的质量为a1(t)，苛性比值为aKl；溶出后溶液含Al2O3的质量为a2(t)，苛性碱比值为aK2。那么，lm3循环母液经过一次循环后产出Al2O3的质量a应为：2024/9/141.4.3拜耳法循环效率和循环碱量因为lm3循环母液含有n(t)苛性碱(Na2Ok)，所以循环效率E为：2024/9/14循环碱量是指生产lt氧化铝时，在循环母液中所必须含有的苛性碱的质量(t)(不包括碱损失)。它是E的倒数，常用N表示，单位为(t·Na2Ok)/(t·Al2O3)。1.4.3拜耳法循环效率和循环碱量由此可见，溶出时循环母液的aKl越大，并且溶出液的aK2越小，循环效率越高，而生产1tAl2O3所需要的循环碱量越小。利用上述公式可以计算出生产1tAl2O3理论上应配苛性碱的质量。在实际生产时，由于存在苛性碱损失。生产1tAl2O3在循环母液中必须含有的苛性碱量应比理论值更大一些。2024/9/142024/9/141.4.4拜耳法基本流程拜耳法的基本流程见图5所示。其中的主要工序有破碎、湿磨、溶出、稀释、沉降分离赤泥、赤泥洗涤、晶种分解、煅烧、蒸发和苛化等。破碎：通常分为粗碎、中碎、细碎三段。所用设备有颚式、圆锥式、辊式和冲击式破碎机。湿磨：将铝土矿按配料要求配入石灰和循环母液并磨制成合格的原矿浆。所用设备是球磨机。溶出：在高温、高压条件下使铝土矿中的氧化铝化合物从矿石中溶浸出来，制成铝酸钠溶液而铁、硅等杂质则进入赤泥中。所用设备是高压溶出器。2024/9/141.4.4拜耳法基本流程稀释：溶出后的浆液用赤泥洗液加以稀释，以进一步脱出溶液中的硅，且更重要的是为沉降分离赤泥和晶种分解创造了必要的条件。所用设备是带有搅拌装置的稀释槽。沉降分离赤泥：稀释后的溶出浆液送入沉降槽处理，以使铝酸钠溶液和赤泥分离开来。赤泥洗涤：沉降分离出来的赤泥浆，必须加水洗涤，以回收赤泥附液中的有用成分(碱和氧化铝)。洗涤次数越多，有用成分损失越少。洗涤次数一般为5～8次。所用洗涤设备为沉降槽。晶种分解：将彻底分离了赤泥的铝酸钠溶液(精液)送入分解槽内，加入Al(OH)3晶种，不断搅拌并逐渐降低温度，使之发生分解反应析出Al(OH)3。并得到含有NaOH的母液。所用分解设备为有搅拌装置的种分槽。2024/9/141.4.4拜耳法基本流程煅烧：用煅烧设备在高温下将Al(OH)3的附着水和结晶水除掉，并使其发生晶型转变，以获得适合电解铝生产要求的氧化铝。所用煅烧设备为回转窑、循环流态化煅烧炉和沸腾闪速煅烧炉。蒸发：种分母液需要在蒸发器中浓缩，以提高其碱浓度，保持生产的循环体系中水量的平衡，使循环母液达到符合拜耳法溶出的要求。所用设备为蒸发器。苛化：在蒸发时还有一定数量的Na2CO3·H2O从母液中结晶析出，将其分离出来用Ca(OH)2苛化成NaOH溶液，与蒸发母液一同送往湿磨配料。2024/9/141.4.4拜耳法基本流程1叙述拜耳法生产氧化铝的基本原理；拜耳法生产氧化铝包括哪几个主要生产工序?2什么是拜耳法的循环效率，循环效率的提高对拜耳法生产有什么实际意义?2024/9/141.4拜耳法的原理及工艺流程思考题1.5.1烧结法原理1.5.2烧结法的基本流程2024/9/141.5烧结法原理及工艺流程拜耳法生产氧化铝时，铝土矿中的氧化硅是以含水铝硅酸钠的形式与氧化铝分离的，如果铝硅比越低，则有用成分氧化铝和氧化钠就会损失越多，经济指标会大大恶化，所以，拜耳法生产氧化铝流程只适合处理铝硅比高于7的铝土矿，而碱一石灰烧结法则能处理铝硅比低的铝土矿。碱一石灰烧结法的原理是由碱、石灰和铝土矿组成的炉料经过烧结，使炉料中的氧化铝转变为易溶的铝酸钠，氧化铁转变为易水解的铁酸钠，氧化硅转变为不溶的原硅酸钙。Al2O3+Na2CO3——Na2O·Al2O3十CO2SiO₂+2CaO——2CaO·SiO₂Fe2O3+Na2CO3——Na2O·Fe2O3+CO22024/9/141.5.1烧结法的原理由这三种化合物组成的熟料在用稀碱溶液溶出时，固相铝酸钠溶于溶液：Na2O·Al2O3+aq一2NaAl(OH)4+aq铁酸钠水解为氢氧化钠和氧化铁化合物：Na2O·Fe2O3+aq——2NaOH+Fe2O3·H2O(↓)+aq原硅酸钙不同溶液反应，全部转入赤泥，从而达到制备铝酸钠溶液，并使有害杂质氧化硅、氧化铁与有用成分氧化铝分离的目的。得到的铝酸钠溶液经净化处理后，通入二氧化碳气体进行碳酸化分解，得到晶体氢氧化铝，而碳分母液的主要成分是碳酸钠，可以循环返回再用来配料。碱一石灰烧结法可以处理铝硅比低的铝土矿，但铝硅比如果低于3，则会使物料流量增加，烧结和溶出过程困难，经济和技术指标大大恶化，所以目前碱一石灰烧结法处理铝土矿的铝硅比要大于3。2024/9/141.5.1烧结法的原理中国的碱一石灰烧结法的基本流程如图6所示。为保证熟料中生成预期的化合物，除铝矿石、石灰等固体物需在球磨机细磨使生料浆达到一定细度外，还需控制各种物料的配入量，并对生料浆进行多次调配以确保生料浆中各氧化物的配入比例和有适宜的水分量。烧结过程是在回转窑内进行的。调配好的生料浆用高压泥浆泵经料枪以高压打人窑内，在向窑前移动的过程中被窑内的热气流烘干，加热至反应温度，并在1200～1300℃的高温下完成烧结过程，得到化学成分和物理性能合格的熟料。熟料经破碎后，用稀碱溶液在球磨机内进行粉碎湿磨溶出，使有用成分Na2O和Al2O3转变为铝酸钠溶液，而原硅酸钙和氧化铁形成固相赤泥，经过沉降分离，得到铝酸钠溶液，从而达到有用成分与有害杂质分离的目的。分离后的赤泥需经过热水充分洗涤后才能排弃，目的是回收赤泥附液中的Na2O和Al2O3

。2024/9/141.5.2烧结法工艺流程2024/9/14在熟料溶出时，由于原硅酸钙的二次反应使铝酸钠溶液的SiO₂含量过高(达到4～6g/L)，这种溶液(粗液)是不能进行碳酸化分解的，必须经过专门的脱硅工序进行脱硅。使SiO₂含量降至1.2g/L以下。经过脱硅处理并叶滤所得到的溶液叫做精液。而硅渣含有相当数量的Na2O和Al2O3

，要返回配料进行回收。铝酸钠精液用烧结窑窑气或石灰炉炉气进行碳酸化分解。分解率一般控制在85％～90％。分解析出的氢氧化铝用软水充分洗涤后，送去煅烧。碳分母液经蒸发浓缩至一定浓度，返回配制生料浆。2024/9/141.5.2烧结法工艺流程中国碱石灰烧结法工艺流程的特点是：(1)用石灰代替石灰石配料，用高浓度的石灰炉炉气(CO₂含量38％～40％)代替烧结窑气(CO₂含量l0％～l2％)来进行碳酸化分解；(2)采用生料加煤脱硫；(3)粗液加石灰乳深度脱硅；(4)铝酸钠溶液碳分、种分并联分解；(5)熟料溶出采用低苛性比值、高碳酸钠浓度二段湿磨溶出；(6)生料浆采用低碱、高钙配方。2024/9/141.5.2烧结法工艺流程叙述烧结法生产氧化铝的基本原理，此法包括哪些主要生产工序?2024/9/141.5烧结法原理及工艺流程复习思考题

目前工业上氧化铝生产的方法主要是碱法，即是拜耳法和烧结法，这两种方法各有其特点和适应范围。用拜耳法生产氧化铝流程简单、产品质量好，工艺能耗低，产品成本低，但该法需要A/S≥7的优质铝土矿和用比较贵的烧碱(NaOH)。用烧结法生产氧化铝，可以处理A/S≥3～3.5的高硅铝土矿和利用较便宜的碳酸钠，但该法流程复杂，工艺能耗高，产品质量比拜耳法差，单位产品投资和成本较高。两者都有各自的局限性。为适合各种铝土矿和减少生产成本，利用拜耳法和烧结法各自的优点，生产上采用拜耳法和烧结法联合起来的流程，更能取得较单一方法更好的经济效果。联合法可分为三种流程：串联法、并联法和混联法。2024/9/141.6联合法原理及工艺流程1.6.1串联法1.6.2并联法1.6.3混联法2024/9/141.6联合法原理及工艺流程1.6.1串联法串联联合法生产氧化铝流程如图7所示。串联法生产氧化铝适用于处理中等品位的铝土矿。此法是先以较简单的拜耳法处理矿石，提取其中大部分氧化铝，然后再用烧结法处理拜耳法赤泥，进一步提取其中的氧化铝和碱，将烧结后的熟料经过溶出、分离、脱硅等过程得到的铝酸钠溶液并入拜耳法系统，进行晶种分解，拜耳法系统的母液蒸发析出的一水碳酸钠送烧结法系统配制生料浆。2024/9/141.6.1串联法2024/9/14串联法的优点：(1)矿石中大部分的氧化铝是由投资和加工费较低的拜耳法处理，仅有少量是由烧结法处理，这样就减少了回转窑的数量和燃料消耗量，从而降低了氧化铝的成本；(2)由于矿石经过拜耳法和烧结法两次处理，因而氧化铝的总回收率高，碱耗低；(3)生产过程的补碱由烧结法系统的低价碳酸钠供应，减少了产品成本；(4)种分母液蒸发时结晶析出的碳酸钠在烧结时被利用，并且还能使拜耳法流程中的有机物在烧结时得到烧除，降低了有机物对拜耳法生产的危害。2024/9/141.6.1串联法串联法的缺点：(1)拜耳法赤泥炉料铝硅比低，它的烧结比较困难，所以烧结过程能否顺利进行以及熟料质量的好坏是串联法的关键；(2)如果矿石中的氧化铁含量低时，还存在烧结法系统补碱不足的情况；(3)生产流程比较复杂，拜耳法和烧结法两系统的平衡和整个生产的均衡稳定比较难维持。拜耳法系统的生产受到烧结法系统的影响和制约，在拜耳法系统中，如果矿石品位和溶出条件等发生变化，就会使Al2O3溶出率和所产赤泥的数量与成分随之发生变化，又直接影响到烧结法的生产，两系统互相影响和制约，给组织生产带来困难。2024/9/141.6.1串联法并联联合法生产氧化铝流程如图8所示。由图可见，并联法包括拜耳法和烧结法两个平行的生产系统，以拜耳法处理高品位铝土矿，以烧结法处理低品位铝土矿。烧结后的烧结熟料进行溶出、液固分离以及铝酸钠溶液脱硅，脱硅后的铝酸钠溶液最后并入拜耳法系统，将拜耳法和烧结法两系统的铝酸钠溶液进行晶种分解，然后分离和洗涤氢氧化铝，Al(OH)3经焙烧得到氧化铝。2024/9/141.6.2并联法2024/9/14并联法的优点：(1)可以合理利用国家铝矿资源。如果矿区铝土矿品位不均匀，或是不同地区有两种品位的铝土矿，用并联法处理这两类矿石可以得到较好的经济效益；(2)种分母液蒸发时结晶析出的碳酸钠在烧结时被利用，并且还能使拜耳法流程中的有机物在烧结时得到烧除，降低了有机物对拜耳法生产的危害；(3)生产过程的补碱全部由烧结法系统的低价碳酸钠供应，减少了产品成本；(4)烧结法系统中低苛性比值的铝酸钠溶液可降低拜耳法系统中铝酸钠溶液的苛性比值，有利于提高晶种分解的速度和分解率。2024/9/141.6.2并联法并联法的缺点：.(1)用烧结法的铝酸钠溶液代替纯苛性碱来补偿拜耳法系统的碱损失，使得拜耳法各工序的循环碱量增加，从而对各工序的技术经济指标有所影响；(2)工艺流程比较复杂；(3)均衡生产困难。由于烧结法系统送到拜耳法系统的铝酸钠溶液量，必须保证晶种分解后母液中剩余苛性碱应恰好等于拜耳法系统中所损失的碱量，因此，拜耳法系统的生产受到烧结法系统的影响和制约。烧结法系统如有波动就会影响到拜耳法系统的波动。并联法中两个系统的比例为：烧结法系统的比例不超过总产量的l0％～l5％。2024/9/141.6.2并联法混联联合法生产氧化铝流程如图9所示。串联法中，拜耳法赤泥铝硅比低，所配成的炉料较难烧结。解决这个问题的方法之一，是在拜耳法赤泥中添加一部分低品位的矿石进行烧结。添加矿石的目的是提高熟料铝硅比，使炉料熔点提高，烧成温度范围变宽，从而改善了烧结过程。这种将拜耳法和同时处理拜耳法赤泥与低品位铝矿烧结法结合在一起的联合法叫作混联法。溶出的拜耳法赤泥经洗涤后送烧结法系统同时添加一定量的低品位矿石，磨制成生料浆，进行烧结、溶出、分离和脱硅得到精液。除一部分精液去碳酸化分解外，其余的和拜耳法精液一起作晶种分解。所增加的碳酸化分解作为调节过剩苛性碱液的平衡措施，有利于生产过程的协调。2024/9/1416.3混联法2024/9/14混联法的优点：(1)高品位铝土矿先用拜耳法处理，将大部分氧化铝回收后的赤泥再用烧结法处理，两次回收氧化铝和碱，所以此法的氧化铝总回收率高，碱耗低；(2)烧结法除处理拜耳法赤泥外，另配加一定量的低品位矿石来提高生料浆的铝硅比，改善了烧结窑的操作条件，提高了熟料的质量；(3)利用较便宜的碳酸钠加入烧结法系统来补偿生产过程的碱损失；(4)由于大部分铝酸钠溶液是晶种分解，所以采用此法可获得较高质量的氧化铝。2024/9/141.6.3混联法混联法的缺点：(1)两系统的协调复杂；(2)由于两系统都是完整的流程，所以整个生产流程复杂。目前，中国由于铝土矿资源的特点为高硅低铁，矿石难以溶解，并且成分不均一，所以氧化铝生产企业大多采用混联法流程。2024/9/141.6.3混联法1请比较不同的联合法生产氧化铝的优缺点。2024/9/141.6联合法生产氧化铝复习思考题2.1原矿浆的制备工艺2.2铝矿石的破碎与配矿2.3拜耳法配料2.4原矿浆的磨制及调节2024/9/142原矿浆的制备2.1.1拜耳法生产氧化铝的原料要求铝土矿：Al2O3含量不小于65％，A/S>7。烧碱：NaOH含量不小于30％，Na2CO3含量不大于1.0％。石灰：CaO含量不小于85％。2024/9/142.1原矿浆的制备工艺2.1.2原矿浆的制备流程。原矿浆是将铝矿石配入一定量的石灰和苛性碱液(循环母液+补充氢氧化钠)通过湿磨制成的，是为进行高压溶出铝酸钠溶液而制备的料浆。为使后续工序生产指标达到要求，要求原矿浆达到：1)参与化学反应的物料要有一定的细度；2)参与化学反应物之间要有一定的配比；3)参与化学反应物之间要混合均匀。因此，原矿浆的制备要经过铝矿石破碎、配矿、入磨配料、湿磨等几道工序才能完成。2024/9/142.1原矿浆的制备工艺2.2.1破碎从矿山开采出的铝矿石要经过粗碎、中碎、细碎等三段破碎才能达到矿石入磨的粒度要求。粗碎在矿山进行，中碎和细碎则在厂内进行。粗碎：将直径为1500～500mm的矿石破碎到400～125mm。常用破碎设备为旋回式圆锥破碎机或颚式破碎机。中碎：将直径为400～125mm的矿石破碎到l00～25mm。常用破碎设备为标准型圆锥破碎机、颚式破碎机和反击式破碎机。细碎：将直径为100～25mm的矿石破碎到25～5mm。常用破碎设备为短头型圆锥破碎机和反击式破碎机。2024/9/142.2铝矿石的破碎与配矿2.2.2配矿配矿就是把已知成分的但有差异的几部分铝矿石根据生产需要，按比例混合均匀，使进入流程中的铝矿石的铝硅比和氧化铝、氧化铁含量符合生产要求。2.2.2.1配矿的方法配矿工作是在破碎后的铝矿石被送到碎矿堆场分别堆放后开始进行，根据各小区碎矿的成分，按照生产上对铝矿石铝硅比和成分的要求，将参与配矿的各小区的矿石按比例均匀地堆放在几个大区里，每个大区的存矿量应有l0天左右的需用量，以保证有配好的矿区和正在使用的矿区以及正在配料的矿区，不至于造成配矿过程的混乱。配矿的方法根据所用设备的不同分为：吊车配矿、推土机配矿、贮罐配矿以及先进的堆取料机配矿等方法。前三种配矿方法已逐渐被堆取料机配矿所取代。堆取料机是将吊车、推土机和皮带输送机的功能合在一起的先进设备。目前氧化铝厂都采用了这种设备进行配矿。2024/9/142.2铝矿石的破碎与配矿2.2铝矿石的破碎与配矿2.2.2.2配矿计算由于各供矿点供应的铝矿石成分波动较大，因此，根据铝矿石的地质资料，一般将碎矿堆场分成四个小区(1、2、3、4)和三个大区(A、B、C)。每一小区的堆矿量为一个班用的破碎量，每三个小区可配成一大区。破碎工序应根据矿山供矿的成分分析，原则上在破碎后按成分的不同分堆堆放。经四个班以后，将四小区分别堆满。然后根据各小区矿的成分通过算术平均法算出哪几个小区所组成的混矿合格，从而将这几个小区的矿按配矿比例均匀地撒到一个大区里准备使用。这样三个大区周期性循环使用，从而保证了生产使用的是较为稳定的合格矿石。配矿计算如下：设两种铝土矿的成分如下：2024/9/142.2铝矿石的破碎与配矿若要求混矿的A/S为K，则上述两种矿石的成分必须满足Kl<K<K2或Kl>K>K2，否则就达不到混矿要求。设第一种矿石用1t时，需配入第二种矿石x(t)，则可根据铝硅比定义求出x：2024/9/142.2铝矿石的破碎与配矿计算出x后，即可求出混矿的化学成分为：2024/9/142.3.1拜耳法配料概念拜耳法配料就是为满足在一定溶出条件下，达到技术规程所规定的氧化铝溶出率和溶出液苛性比值，而对原矿浆的成分进行调配的工作。拜耳法配料指标主要是配苛性碱量、石灰量和原矿浆液固比。2.3.2拜耳法配料计算苛性碱是通过配循环母液量来加入的。单位矿石所需用的循环母液量(m3)叫作配碱量；满足生成(2CaO·TiO2)的单位矿石所需用的石灰量(t或％)叫作配石灰量。2024/9/142.3拜耳法配料2.3.2.1配碱量的计算配碱量就是配苛性碱量，要考虑三个方面的需求：(1)溶出液要有一定的苛性比值；(2)氧化硅生成含水铝硅酸钠；(3)溶出过程中由于反苛化反应和机械损失的苛性氧化钠。在生产实际中，配料时加入的碱并不是纯苛性氧化钠，而是生产中返回的循环母液。循环母液中除苛性氧化钠外，还有氧化铝、碳酸钠和硫酸钠等成分。所以在循环母液中有一部分苛性氧化钠与母液本身的氧化铝结合，称为惰性碱，剩下的部分才是游离苛性氧化钠，它对配料才是有效的。因此，循环母液中有效苛性氧化钠可用下式来计算：2024/9/142.3拜耳法配料2.3拜耳法配料式中n——循环母液中有效苛性氧化钠的质量浓度，g/L；ρ(Na2Ok)——循环母液中苛性氧化钠的质量浓度，g/L；αK——生产规定的溶出液苛性比值；ρ(Al2O3)——循环母液中氧化铝的质量浓度，g/L；1.645——氧化铝与氧化钠的相对分子质量之比值。综上所述，则处理lt铝土矿应配入的循环母液量可用下式来计算：2024/9/142.3拜耳法配料式中V——每l吨铝土矿应配入的循环母液体积，m3/t·矿；A一每l吨铝土矿所带入的氧化铝质量，kg/t·矿；B——规定的氧化铝溶出率；αK——规定的溶出液苛性比值；0.608——氧化钠与氧化铝的摩尔质量的比值；M——溶出赤泥成分中氧化钠和氧化硅的质量比值，一般取0.4～0.5；S1、S2——分别为铝土矿和石灰所带入的氧化硅的质量，kg/t矿；1.41——Na2O和CO2摩尔质量的比值；C——矿石和石灰带入的CO2的质量，kg/t矿；x——磨矿和溶出过程中苛性氧化钠的机械损失，kg/t矿；ρ(Na2Ok)——循环母液中苛性氧化钠的质量浓度，g/L；ρ(Al2O3)——循环母液中氧化铝的质量浓度，g/L。2024/9/14式中，分子部分是溶出lt铝土矿所需配入的苛性氧化钠数量(kg)，其中[0.608ABαK]项是从铝土矿进入溶出液中的氧化铝所需要的苛性氧化钠；[M(S1+S2)]项是铝土矿和石灰中的氧化硅生成硅渣所消耗的苛性氧化钠；[1.41C]项是矿石和石灰带入的在溶出过程中二氧化碳和苛性氧化钠化合成碳酸钠所消耗的苛性氧化钠；[x]项是机械损失的苛性氧化钠，该碱即是需要补充的苛性碱数量。而分母部分[ρ(Na2Ok)一0.608αKρ(Al2O3)]是循环母液中有效苛性氧化钠的质量浓度。2024/9/142.3拜耳法配料2.3拜耳法配料2.3.2.2石灰配入量的计算拜耳法配料配入的石灰数量是以铝土矿中所含氧化钛(TiO2)的数量来确定的。按其反应式要求氧化钙与氧化钛的量之比为2.0。因此，lt铝土矿中石灰配入量W(t)为：式中T——铝矿石中TiO2的质量分数，％；C——石灰石中CaO的质量分数，％；56、80——分别为CaO和TiO2的摩尔质量，g/mol；2.0——钛酸钙化合物中氧化钙的物质的量与氧化钛的物质的量之比。在生产中是以饲料机的转速来控制铝矿石和石灰的添加量。2024/9/142.3拜耳法配料2.3.2.3原矿浆液固比的计算在生产中，矿石、石灰和母液的配入量计算好后，矿石和石灰通过饲料机加入磨机，配碱量通过控制循环母液下料量来进行配碱操作。循环母液的下料量是用同位素密度计自动测定原矿浆液固比，再根据原矿浆液固比的波动来调节母液的加入量。液固比(L/S)是指原矿浆中溶液质量与固体质量的比值。其计算公式如下：2024/9/142.3拜耳法配料式中L/S——原矿浆液固比；V——1t铝土矿应配入的循环母液量，m3/t矿；ρL——循环母液的密度，kg/m3；1000——lt铝土矿，kg；W——1t铝土矿中需要配入的石灰量，kg；ρS——矿石加石灰的固相密度，kg/m3；ρP——原矿浆的密度，kg/m3。2024/9/14生产中ρS和ρL是稳定的，通过放射性同位素密度仪测定出原矿浆的密度(ρP)，可以很方便地求出原矿浆的液固比。.当配料正确时，溶出率和苛性比值应等于或接近手技术规程所规定的指标；当溶出率达到指标而苛性比值偏高时，则说明配碱量过多；当溶出操作条件正常时，溶出率低于技术指标而苛性比值并不高，则说明配碱量不足。因此，在生产中为便于控制指标，往往根据具体条件将上述计算公式加以简化，列成有效苛性氧化钠(n)、铝土矿中的氧化铝含量和原矿浆液固比的关系对照表，以便岗位操作者及时调整母液的加入量。2024/9/142.3拜耳法配料2.4.1原矿浆的磨制流程原矿浆的磨制(简称磨矿)是指通过磨机将细碎后的矿石进一步变细，并能达到进行溶出化学反应要求粒度的工序。在拜耳法氧化铝生产中，在这道工序，矿石要与石灰、循环碱液一起进入磨机内进行混合湿磨得到合格的原矿浆，因此这道工序也是拜耳法氧化铝生产的配料工序。磨矿所用设备一般为球磨机。图2—1为原矿浆的磨制流程。2024/9/142.4原矿浆的磨制及调节2024/9/142.4原矿浆的磨制及调节2.4.2影响磨机产能的因素影响磨机产能的因素有以下几项。(1)矿石的可磨度的影响矿石物理性质如结晶特性、硬度，韧度等都会对磨矿产生影响。一般地说矿石晶体微小，结构致密，硬度大的可磨度差，比较难磨；相反，矿石晶体粗大，结构疏松，硬度小的可磨度好，比较易磨。(2)给矿粒度和产品细度的影响当矿石物理性质相同，要求的产品细度一样时，给矿粒度越小，球磨机的生产率越高；当给矿粒度相同，产品细度要求不同时，细度要求越细，球磨机的生产率就越低。(3)各种入磨物料的比例的影响在氧化铝生产中，无论是拜耳法还是烧结法，入磨物料都在两种以上，拜耳法的入磨物料有铝矿石和石灰。这两种物料的比例稳定时，球磨机的生产率高；反之，生产率则低。物料中石灰比例增加时，也将会降低生产率。2024/9/142.4原矿浆的磨制及调节(4)磨机介质的大小和密度的影响在生产上给矿粒度的大小和组成往往是不同的，同时球对矿石的冲击力和冲击次数又不一样，又要考虑到矿石在球磨机中的粒度越磨越细。所以在球磨机的同一仓中装入多种规格的球。一般是最大和最小直径的球量少，中级直径的球量多。对多仓球磨机来说，在第一仓内进行第一阶段的磨碎，冲击作用应强些，因此，球径应大些，而在最后一仓内，物料已经磨得较细了，因此，使用直径较小的圆柱形的钢段，以加强磨剥作用。选择磨矿介质的大小，取决于球的密度，给矿粒度，矿石的可磨度和所要求的产品细度等因素。在生产上要求产品的细度是一定的，则在要求的密度和矿石可磨度相似的情况下球的大小选择，就视其入磨矿石粒度组成而定。通常用的球直径D(mm)的计算公式是：D=28d1/3式中，d为给矿粒度直径，mm。经实践证明，在给矿粒度较大时，按上式计算球径，结果偏小，应予适当修正。2024/9/142.4原矿浆的磨制及调节(5)磨矿浓度的影响磨矿浓度是以磨出矿浆的液固比或固相百分含量来表示，一般以液固比表示。矿浆液固比小时，优点是：流出的单位容积矿浆内所含的固相量多，排矿量大；同时球上粘附着一层矿浆，磨矿效果较好。缺点是：矿浆相对密度大，球的有效相对密度及活动性能降低，相应之下就减小了球的磨矿作用；同时矿浆的流动性也降低。矿浆液固比大时，优点是：球的有效相对密度及活动性增加，磨矿作用也提高，球磨机中能显示出一定的分级作用。缺点是：粗物料不易被排出；同时球上附着的矿浆很少，这就相应降低了磨矿效果。因此说磨矿浓度过大和过小均不利，有一最适宜的浓度，其值应根据生产实践来确定。2024/9/142.4原矿浆的磨制及调节2.4.3磨矿工艺操作A开车开车步骤如下：(1)检查油泵的油压；(2)检查磨机分压；(3)通知碱液泵开车，并检查碱液流量及是否入磨；(4)碱液入磨后，磨机开磨；(5)磨机运转正常后，给料机开始下料。2024/9/142.4原矿浆的磨制及调节B停车停车步骤如下：(1)首先停止下料；(2)待分级机料无返砂时，停分级机；(3)最后停磨。2.4.4磨矿技术条件及指标的控制(1)入磨铝矿粒度：≤20mm；(2)入磨石灰粒度：≤30mm；(3)入磨石灰中有效氧化钙含量：CaO≥85％；(4)磨机内液固比：0.4～0.8；(5)分级机溢流液固比：3.0～4.0；(6)原矿浆细度：l00号筛残留低于l0％，l60号筛残留低于20％。2024/9/142.4原矿浆的磨制及调节为了保证原矿浆的细度，应严格控制球磨机内矿浆的液固比、分级机溢流矿浆的液固比和返砂量。球磨机内液固比大，磨内矿浆流动速度快，停留时间短，矿石得不到充分的研磨；磨内液固此控制过小，虽然矿浆在磨机内停留时间延长，但影响球磨机的生产率。分级机溢流矿浆的液固比反映了进入分级机的矿浆浓度。液固比增加，矿浆浓度降